[发明专利]一种高硫负载量三维多孔碳/硫复合材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种高硫负载量三维多孔碳/硫复合材料的制备方法。包括如下步骤：1)将有机碳源、Na₂S·9H₂O和NaCl溶于去离子水，溶液通过冷冻干燥得到凝胶；2)将1)得到的凝胶研磨成粉末，在惰性气体保护下加热，得到黑色粉末；3)将2)得到的黑色粉末加入Fe(NO₃)₃的水溶液中，搅拌，过滤得到黑色粉末；4)将3)得到的黑色粉末用去离子水洗涤，然后真空干燥，得到高硫负载量的三维多孔碳/硫复合材料。本发明所得到的三维孔状碳/硫复合材料，碳和硫颗粒之间通过共价键结合、作用力强；硫负载量高且可控；过程简单、原料易到、成本低、重复性强，适宜大规模生产。

技术领域

本发明涉及纳米材料及电化学技术领域。更具体地，涉及一种高硫负载量三维多孔碳/硫复合材料的制备方法。

背景技术

随着储能技术和电动汽车的迅猛发展，对锂离子电池能量密度和功率密度的要求越来越高，硫因其具有高的比容量(1675mAh/g)和高的能量密度(2600Wh/kg)，以及其来源广泛、价格低廉、环境友好和安全性高等优点，而成为极具发展潜力和应用前景的新型二次锂离子电池的正极材料。尽管有诸多优势，但是硫在锂离子电池的应用中仍然存在着诸多问题：(1)硫单质(S8)、中间产物及其还原产物硫化锂(Li₂S)的电导率低，导致电池的倍率性能差；(2)放电过程中产生的聚硫化合物(Li₂Sx,2x≤8)易溶于电解液，形成“穿梭效应”，造成活性物质的损失和容量衰减；同时，最终放电产物Li₂S的不溶解性和电绝缘性会导致电极钝化，影响电池的容量保持率和循环寿命；(3)硫在嵌锂/脱锂过程中的体积变化会破坏电极材料的结构，从而影响电池的充放电性能。因此，提高含硫化合物电极材料的导电性和结构稳定性是这一领域研究的关键问题。

在已有的报道中，主要通过将单质硫吸附到具有良好导电性、大比表面积和高孔隙率的碳材料(石墨烯、碳纳米管、多孔碳和碳纳米纤维)中，形成碳/硫复合材料来解决上述问题。制备核壳结构，将硫限制在壳结构的内部，也可以解决硫在充放电过程中体积膨胀和活性材料流失的问题。但是，目前已有的碳/硫复合材料的制备方法(球磨法、气相法、液相法)在很多方面仍然需要改善，例如，复合材料中硫的负载量低、聚硫化物的溶解和扩散仍然比较突出、循环稳定性差及倍率性能较低，且现有方法比较复杂，生产成本高，产品稳定性较差等。

因此，需要提供一种既能使碳和硫颗粒结合紧密、硫负载量高且含量可控的碳/硫复合材料的制备方法。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种高硫负载量三维多孔碳/硫复合材料的制备方法。本发明克服了现有的碳/硫复合材料制备技术的不足，开发了一种既能使碳和硫颗粒结合紧密、硫负载量高且含量可控的碳/硫复合材料的制备方法。该方法具有环境友好、成本低、工艺简单的优点，可实现大规模生产。

本发明的一个目的在于提供一种高硫负载量三维多孔碳/硫复合材料的应用。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种高硫负载量三维多孔碳/硫复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将有机碳源、Na₂S·9H₂O和NaCl溶于一定量的去离子水，得到的溶液用液氮冷冻，通过冷冻干燥除去混合物中的水分，得到凝胶；

2)将1)得到的凝胶研磨成粉末，在惰性气体保护下加热，得到黑色粉末；通过此步骤高温裂解将碳源转化为碳，得到多孔碳材料的前躯体；

3)将2)得到的黑色粉末加入Fe(NO₃)₃的水溶液中，搅拌以溶解NaCl晶体和沉积硫，过滤得到黑色粉末；通过此步骤将NaCl晶体溶解得到大孔，将Na₂S氧化得到硫纳米颗粒；